Maskiningenjörer vid Duke University har demonstrerat en uppsättning prototyper för att manipulera partiklar och celler i en petriskål med hjälp av ljudvågor. enheterna, känd i det vetenskapliga samfundet som "akustisk pincett, "är det första försöket att göra dessa typer av verktyg, som hittills har förvisats till laboratorier med specifik utrustning och expertis, tillgänglig för användning i en mängd olika inställningar.

Tidningen som beskriver tekniken visas online den 9 september i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Akustisk pincett är en kraftfull, mångsidig uppsättning verktyg som använder ljudvågor för att manipulera biopartiklar, allt från nanometerstora extracellulära vesiklar till millimeterstora flercelliga organismer. Under de senaste decennierna, förmågan hos akustisk pincett har utökats från förenklad partikelfångning till exakt rotation och translation av celler och organismer i tre dimensioner.

"De senaste framstegen har lett till många avancerade, mångsidiga verktyg, sa Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science, som har arbetat inom området i mer än ett decennium. "Dock, Vid slutet av dagen, framgången för detta område beror på om slutanvändare som biologer, kemister eller kliniker är villiga att använda denna teknik eller inte. Det här dokumentet visar ett steg mot ett mycket vänligare arbetsflöde för att göra det lättare för slutanvändare att ta till sig den här tekniken."

I sin första ansökan, en akustisk pincett använde ljudvågor som genererades från motsatta sidor av ett mikrofluidiskt chip eller kammare för att skapa noder där celler eller mikropartiklar fångas. Att flytta ljudvågornas vågfronter över kammarens motsatta ytor kontrollerade en partikels position i två dimensioner, medan justering av ljudvågornas amplituder kan trycka eller dra in dem i den tredje.

Mer avancerade inställningar har sedan dess demonstrerats, där ljudvågor ekar i en fluidkammare. Till exempel, beroende på applikation, mönster kan skapas och ändras för att separera och manipulera flera partiklar samtidigt, eller bubbelpooler kan bildas för att koncentrera en grupp partiklar.

Men oavsett hur avancerade deras förmågor, akustisk pincett har därför förpassats till prototypdemonstrationer och laboratorier med specialiserad utrustning; mycket få biologer har anammat denna teknik ännu.

"Vårt mål är att överbrygga gapet mellan akustiska innovationer och den biologiska/kliniska bänkskivan, sa Huang.

I tidningen, Huang och hans kollegor visar tre prototypuppställningar som använder givare för att skapa ljudvågor som manipulerar partiklar i den vanligaste cellodlingsplattan som finns i biomedicinska laboratorier - petriskålen.

I den första designen, en uppsättning av fyra givare, en på varje sida av petriskålen, skapa ljudvågor som interagerar med varandra för att skapa ett stående mönster i maträttens flytande prov. Inställningen kan användas för cellmönster med flera konfigurationer, cell-cell interaktionsstudier och konstruktion av 3-D vävnader.

Den andra designen använder en lutad givare som skickar en vinklad ljudvåg från under petriskålen för att skapa en bubbelpool som koncentrerar skålens innehåll i mitten. Denna förmåga skulle tillåta forskare att koncentrera biopartiklar för signalförbättring och konstruktion av stora cellsfäroider.

I den slutliga installationen, holografiska interdigitala givare – två givare monterade ihop som ett blixtlås – skapar högfrekventa strålliknande vågor underifrån petriskålen för att kontrollera partiklar på specifika platser. Genom att växla mellan olika design, installationen kan stimulera celler samt koncentrera och fånga biopartiklar.

Tillsammans, inställningarna visar en lättanvänd akustisk pincett som varsamt kan manipulera en mängd olika celler och partiklar utan att röra eller märka dem. Potentiella applikationer inkluderar mönstring och utskrift av celler, separera och sortera celler, kontrollera cell-cell-interaktioner, att konstruera vävnader och rotera flercelliga organismer.

"Syftet med denna studie var att duplicera några av de tidigare funktionerna hos vår akustiska pincett i petriskålar, sa Huang, som också har grundat ett företag för att driva kommersialisering av tekniken. "Vårt nästa mål är att bygga en enda prototyp som realiserar alla förmågor hos dessa tre uppställningar, om inte mer."